أتمتة العمليات - تجهيزات قياس التدفق Process Automation System- Flow Transmitters

أتمتة العمليات - تجهيزات قياس التدفق

 Process Automation System- Flow Transmitters

ان جودة المنتج ومواصفاته وزيادة عوامل السلامة المطلوبة وتحسين العملية الإنتاجية ليست الا عوامل أساسية مطلوبة يمكن تحقيقها من خلال قياس التدفق بشكل صحيح ودقيق سواء للسوائل، الغازات، البخار أو حتى للمواد الصلبة. لا توجد طريقة وتقنية واحدة لقياس التدفق تصلح لجميع المواد المختلفة وجميع البيئات المطلوبة.

لكل عملية تكنولوجية حالتها الخاصة في قياس التدفق انطلاقاً من الحساسات البدائية الرخيصة وطرق تحصيل الإشارة منها وصولاً الى الحساسات المعقدة الغالية الثمن والتي تتطلب خبرات هندسية خلال عملية الاختيار والتركيب والمعايرة والتشغيل.

تنقسم طرق قياس التدفق لمختلف المواد الى عدة أنواع وأقسام وهي:

قياس التدفق من خلال حساس فرق الضغط Differential pressure measurement:

يعتبر قياس التدفق من انطلاقاً من قياس فرق التدفق من الطرق الشائعة والموثوقة في عملية القياس للتدفق والمطلوبة بما تتميز به من مجال العمل الحراري العالي من -200 حتى +1000 درجة مئوية للمادة المقاسة وبضغط مادة حتى 420 بار، وعدم احتوائه على أية أجزاء متحركة بالإضافة لإمكانية استخدامه في قياس تدفق السوائل والغازات والبخار.

يعتمد مبدأ عمل هذا الحساس على تأمين نقطتين ضمن الانبوب مختلفتي الضغط وذلك من خلال تضييق قطر الأنبوب الذي تمر من خلاله المادة في مكان ما ويتم قياس الضغط قبل وبعد التضييق، ومن خلال حساب فرق الضغط يتم استنتاج معدل التدفق للمادة.

يمكن تضييق قطر الانبوب باستخدام عدة طرق منها استخدام أنبوب فينتوري Venturi tube  كما هو مبين بالشكل التالي حيث تتدفق المادة من اليسار ضمن الانبوب ذو مساحة المقطع A1 وبسرعة V1 وبضغط P1 وعندما يتضيق الانبوب تصبح المادة تنتقل بسرعة V2 أكبر منV1 وبضغط P2  أقل من P1 وبمساحة مقطع A2 وكثافة مادة رو p وذلك وفق المعالة التالية :

يمكن الحصول على قيمة فرق الضغط أيضاً من خلال الأورفيس Orifice Plate كما في الشكل التالي:

يوجد طرق أخرى للحصول على اختلاف الضغط مثل nozzles، V-cone، Pitot tube.

يعتبر استخدام Orifice plate من أشهر الطرق المستخدمة للحصول على فرق الضغط بسبب سهولة الاستخدام والتركيب.

يتم ارسال قيمتي الضغط المقاستين الى المرسل Transmitter لحساب فرق الضغط ثم الى المتحكم الذي بدوره يقوم بحساب قيمة التدفق للمادة بعد معرفة البارامترات الأساسية من مساحة مقطع الانبوب وكثافة المادة المستخدمة.

يوجد العديد من الإكسسوارات الأساسية المطلوب استخدامها مع هذا الحساس مثل صمامات العزل مع وسط القياس وحجرة التكثيف التي تعمل على حجز المتكثفات من المادة المقاسة.

لا يمكن استخدام حساس فرق الضغط لقياس التدفق عند التدفقات الصغيرة جدا حتى وأقل من 2 لتر بالساعة ولا يمكن استخدامه للغازات الرطبة والتي تحوي شوائب.

حساس التدفق الكهرومغناطيسي Electromagnetic flowmeters:

يستخدم الحساس الكهرومغناطيسي لقياس تدفق السوائل الناقلة وخصوصاً الماء ويعتمد مبدأ عمله على قانون فراداي للتحريض الكهربائي، ان تحريك موصل كهربائي داخل مجال مغناطيسي يؤدي الى توليد تياراً كهربائياً داخل هذا الموصل، يمثل الموصل الكهربائي هنا المادة المتدفقة التي يتم قياس سرعتها والمجال المغناطيسي يتم توليده من منبع خارجي. بمجرد عبور الجسيمات المشحونة كهربائيًا للسائل المقاس ضمن المجال المغناطيسي الاصطناعي الناتج عن ملفين، يتم تحفيز جهد كهربائي، هذا الجهد يتم قياسه بواسطة قطبي قياس والذي يتناسب طرديًا مع سرعة التدفق وبالتالي مع حجم التدفق. 

يتم الحصول على الحقل المغناطيسي من خلال تيار كهربائي مستمر على شكل نبضات متغيرة القطبية.

-         يعتبر مبدأ عمل هذا الحساس مستقل نظرياً عن قيمة ضغط وحرارة وكثافة ولزوجة viscosity المادة المقاسة، ويمكن قياس التدفق عند ضغط مادة حتى 40 بار وحرارة من -40 حتى +180

-         يمكن قياس حتى السوائل التي تحوي على حبيبات صلبة مثل المواد السلولوزية.

-         مجال عمل كبير لقطر الانبوب الذي تمر من خلاله المادة (DN 2 to 2400; 1/12 to 90").

-         لا يوجد فقد بالضغط عند عملية القياس pressure losses.

-         لا يصلح هذا الحساس مع السوائل عالية التبريد مثل الغاز المسال.

-         لا يصلح هذا الحساس للاستخدام لقياس تدفق الغازات والأبخرة.

-         يمكن للحساس الكهرومغناطيسي قياس السوائل والشوائب معها والتي تزيد ناقليتها عن 5 μS/cm.

من الاعتبارات الأساسية لهذا الحساس هو الوصل مع أنبوب القياس ونوع الفلانج المطلوبة للوصل.

حساس التدفق الفوق صوتي Ultrasonic flowmeters:

تستخدم هذه الطريقة جهازي استشعار، يتم ضبطهما مقابل بعضهما البعض في أنبوب القياس. يمكن لكل جهاز استشعار بالتناوب إرسال واستقبال الإشارات فوق الصوتية ويتم في نفس الوقت قياس وقت عبور الإشارة.

عندما تبدأ المادة بالتدفق ضمن الانبوب تبدأ عملية قياس الزمن بين الإشارة المرسلة والاشارة المستقبلة عند طرفي جهازي الاستشعار ويكون هذا الزمن مختلف بين طرفي جهازي الاستشعار يتناسب مع مقدار التدفق للمادة.

-        يتميز هذا الحساس باستقلاليته عن ضغط وحرارة وكثافة ولزوجة المادة المقاسة (وذلك عندما تكون المادة متجانسة).

-         لا يتأثر هذا الحساس بمكونات الغاز المقاس.

-         لا تؤدي عملية القياس الى فقد ونقصان في ضغط المادة المقاسةNo Pressure Lose .

-         لا يحوي هذا الحساس على أجزاء متحركة وبالتالي لا يحتاج الى كثير من الصيانة.

-         يمكن وصل الحساس على أنبوب القياس بشكل مباشر على الانبوب Clamp-on sensors دون الحاجة الى أي تعديل ميكانيكي مما يسهل استخدام الحساس عند حالات القياس المؤقتة، ويعتبر الوصل بهذه الطريقة مناسباً للمواد المخرشة والتي تسبب التآكل ويتم استخدام هذه الطريقة لقياسات الأنابيب الكبيرة DN 4000 (156").

-         لكن عندما يتطلب الأمر الحصول على دقة عالية فيتم استخدام حساس يوصل على التسلسل مع الانبوب In-line sensors ويتم استخدام هذه الطريقة لقياسات الأنابيب حتى DN 1200 (48").

-         يعتبر الحساس Clamp-on sensors  غير ملائم لقياس التدفقات الصغيرة نسبياً أقل من (< 2 l/h) والتدفقات العالية، ولا يمكن استخدامه لقياس تدفق الغازات بأشكالها والبخار.

-         يمكن استخدام الحساس Clamp-on sensors لقياس تدفق المواد الغذائية والمواد عالية التبريد مثل الغاز الطبيعي المسال LNG على عكس الحساس .In-line sensors

-         يمكن استخدام الحساس الفوق صوتي لقياس التدفق بالاتجاهين.

مقياس التدفق الدوامة Vortex flowmeters:

تُستخدم مقاييس التدفق الدوامة في العديد من فروع الصناعة لقياس حجم تدفق السوائل والغازات والبخار. تتضمن التطبيقات في الصناعات الكيماوية والبتروكيماوية، على سبيل المثال، في أنظمة توليد الطاقة والإمداد الحراري على نطاق واسع: بخار مشبع، بخار شديد الحرارة، هواء مضغوط، نيتروجين، غازات مسيلة، غازات مداخن، ثاني أكسيد الكربون، مياه منزوعة المعادن بالكامل، مذيبات، زيوت نقل الحرارة، مياه تغذية الغلايات، المكثفات، إلخ.

يتألف هذا الحساس من ثلاثة أجزاء رئيسية هي الجسم الخادع bluff body والحساس الميكانيكي والجزء الأخير وهو المرسل الالكتروني.

عندما تتدفق المادة داخل الأنبوب فإنها تصطدم بالجسم المخادع الذي يعمل على تشكيل دوامات من المادة المتدفقة على جانبي الجسم، يرتبط بهذا الجسم حساس ميكانيكي بيزو أو حساس سعوي يعمل على قراءة ترددات هذه الدوامات والذي يرسلها بدوره الى المرسل الالكتروني الذي يعطي قيمة التدفق.

تتناسب ترددات الدوامات الناتجة مع سرعة تدفق المادة داخل الانبوب.

-         لا يتأثر هذا الحساس كثيرا بضغط ودرجة حرارة ولزوجة المادة المقاسة.

-         انخفاض الضغط الناتج عن هذا المقياس صغير نسبيا.

-          يوجد عادة حساس ضغط منفصل وحساس حرارة منفصل بالإضافة من أجل الحسابات التعويضية لقيمة التدفق حيث يتم ارسال القراءات الثلاث الى حاسب خاص لحساب قيمة التدفق.

-         يتم عادة ضمن الحساس تضييق قطر أنبوب القياس مما يؤدي الى زيادة سرعة المادة المتدفقة والتي تعطي دقة أكبر عند قياس التدفق.

-         يتم عند اختيار الحساس تحديد قطر الانبوب بدقة لأنها عامل أساسي في القياس وخصوصاً إذا تضم هذا الحساس تضييق لأنبوب القياس.

-         يعتبر هذا الحساس غير ملائم لقياس التدفقات الصغيرة نسبياً أقل من (< 2 l/h) والتدفقات الكبيرة جداً أكبر من (> 100 000 m3/h).

-         لا يمكن لهذا الحساس أن يستخدم لقياس التدفق باتجاهين، لذلك يجب تحديد اتجاه التدفق عند بداية الاختيار.

حساس التدفق الحراري Thermal mass flowmeters:

يستخدم هذا الحساس لقياس التدفق الكتلي بشكل مباشر وفعال للغازات والهواء المضغوط والسوائل المائية وأكاسيد الكربون، ويعتبر مناسباً للتطبيقات التي تتطلب مراقبة التدهور السريع في قيمة التدفق أو مراقبة أي تغير في فقدان قيمة الضغط مثل مراقبة التدفق لشبكات تزويد وتوزيع المواد ومراقبة أي تسريب في شبكة التوزيع.

يعتمد مبدأ قياس هذا الحساس على أن الجسم الساخن يفقد جزء من حرارته عندما تتدفق خلاله المادة المقاسة بشكل يتناسب مع مقدار هذا التدفق.

يتألف هذا الحساس من حساسي حرارة PT100 وبروب للتسخين، يقيس الحساس الأول درجة حرارة المادة المتدفقة قبل السخان والتي تعتبر القيمة المرجعية لعملية القياس، بينما يقيس الحساس الثاني المتموضع على السخان درجة حرارة المادة المتدفقة. عندما لا يكون تدفق يكون الفرق بين درجتي الحرارة ثابت وعندما تبدأ المادة بالتدفق يبدأ الفرق بين درجتي الحرارة بالانخفاض كلما زاد التدفق.

يمكن وضع حساسي الحرارة مع بروب التسخين على الخط الرئيسي لتدفق المادة أو يمكن وضعهم على خط فرعي مع الخط الرئيسي Bypass.

 

-         يتميز هذا الحساس بإمكانية القياس المباشر للتدفق الكتلي وحرارة المادة.

-         ان عملية حساب التدفق لا تحتاج الى أي عملية تعويض للضغط أو الحرارة.

-         يتميز بالاستجابة السريعة لتغير قيم التدفق.

-         لا يسبب هذا الحساس فقد كبير بالضغط عند عملية القياس.

-         يملك هذا الحساس خاصية تسمى High turndown(100:1) تعبر عن عدم تغير دقة القياس حتى وان كان مجال القياس المطلوب أصغر ب 100 مرة من مجال عمل الحساس.

-         يعتبر هذا الحساس غير ملائم لقياس التدفقات الصغيرة نسبياً أقل من (< 2 l/h) والتدفقات الكبيرة جداً أكبر من (> 100 000 m3/h).

-         لا يمكن استخدام هذا الحساس مع المواد عالية التبريد مثل الغاز المسال بالتبريد. LNG.

-         لا يمكن استخدام هذا الحساس لقياس تدفق الأبخرة والمواد الصلبة.

-         لا يمكن استخدام هذا الحساس لقياس التدفق بالاتجاهين.

يمكن وصل هذا الحساس مع وسط القياس بطريقتين اما مباشرة على أنبوب القياس IN-LINE أو من خلال ثقب ضمن انبوب القياس Insertion length.

حساس التدفق كوريولس Coriolis mass flowmeters:

يتميز هذا الحساس بإمكانية القياس المتزامن لكل من التدفق والحرارة والكثافة واللزوجة والذي يعتبر وجهة نظر جديدة نسبياً ضمن أنظمة التحكم بالعمليات مما يضمن الاستقرار وجودة القياس، وبالتالي يمكن استنتاج بشكل مباشر العديد من القيم مثل التدفق الحجمي، كمية المواد الصلبة ضمن السائل، تمييز الأطوار المختلفة

 للسائل المتدفق.

يستخدم مبدأ قياس كوريولس في مجموعة واسعة من التطبيقات في مختلف فروع الصناعة والبتروكيماويات والنفط والغاز والأغذية، ويستخدم لقياس جميع أنواع السوائل تقريباً والغازات والغازات المسالة.

يحتوي حساس التدفق كوريوليس على أنبوب أو أكثر من أنابيب القياس على شكل حرف U، يرتبط مع هذه الأنابيب محرض خارجي يعمل على اهتزاز هذه الأنابيب، ويرتبط على طرفي هذه الأنابيب الكترود لقياس تردد الاهتزاز.

عند عدم وجود تدفق داخل هذه الأنابيب فان هذه الانابيب سوف تهتز بنفس الاتجاه وبنفس تردد المنبع الخارجي وبالتالي بدون وجود أي إزاحة أو فرق طور بين الكترودي القياس، عندما تبدأ المادة بالتدفق وبوجود المحرض الخارجي فان هذه الأنابيب سوف تهتز بشكل إضافي لاهتزازها الأصلي الناتج عن المحرض الخارجي ويسبب هذا الاهتزاز فرق بالطور بين الكترودي القياس يتناسب مع كمية المادة المتدفقة.

بالإضافة لذلك فان قياس تردد الاهتزاز الإضافي الناتج عن التدفق يعبر عن كثافة المادة المتدفقة حيث تدفق الماء ضمن الانابيب يعطي تردد اهتزاز مختلف عن تردد اهتزاز الانابيب عندما يمر فيها الغاز.

ويتم أيضاً قياس درجة حرارة أنابيب القياس من أجل تعويض قيمة القياس.

-          يمكن القول أن مبدأ عمل حساس كوريولس يشبه حركة خرطوم الماء عندما يتحرك ويهتز بمجرد مرور الماء داخله.

-         يتميز هذا الحساس بدقة القياس وعدم التأثر بالخصائص الفيزيائية للمادة المتدفقة ولا بتغيرات التدفق لها.

-         لا يمكن استخدام هذا الحساس للتدفقات العالية جدا (> 100 000 m3/h).

-         لا يمكن استخدام هذا الحساس للغازات الرطبة مثل الغاز الحيوي البيوغاز.

-         يتميز بدقة القياس العالية حتى 0.05 %.

-         يتم اختيار الحساس المناسب بناء على القطر الأساسي لأنبوب القياس.